GraalVM 学习笔记_gravvlvm

00 GraalVM发展背景

        熟悉Java的开发者都听说过HotSpot JVM虚拟机的鼎鼎大名，但是在线上业务逐渐往云原生、微服务架构推动的当下，以HotSpot虚拟机为代表的上一代虚拟机也面临着诸多问题。云原生和微服务的时代，对线上系统的性能有了更高的要求，同时基础架构建设的成本需要得到控制。

        某种程度上说，速度（包括但不限于运行速度、编译速度等）、灵巧性（可移植、可复用等）和轻量级是掌控当前线上运行环境的关键。

        2022年1月18日，Oracle公司发布了GraalVM虚拟机的22.0.0版本，并发布了20版本和21版本的新版本（20.3.5和21.3.1）。其中，21.3版本是最近的一个长期支持版本（Long Term Support， LTM），下一个LTS版本预计于2023年发布（23.3）。

        （之前的发布在公众号看不到的，改为群发重新发一下）

01 GravvlVM特点

以下翻译自官网。

更快，更轻量化的应用

        作为新型的虚拟机技术，GraalVM不但致力于解决大型企业的应用场景，也着眼于各种微服务的应用场景。

        GraalVM Enterprise基于受信任且安全的Oracle Java SE构建，在消耗更少资源的同时加快了应用程序性能，提高了应用程序效率并降低了IT成本。

        以在工作负载不断增长的数据中心为例，使用GraalVM虚拟机，运维负责人能够使用相同的计算基础设施处理更多的请求，进而可以减少硬件成本的指出，在相同的计算需求下减少计算资源，进而减少云上计算的成本（PS：鬼佬就这么多废话嘛，翻来覆去颠三倒四地为了降低查重率吗）。

GraalVM的主要优势：

• 新型的编译器

• 原生镜像技术

• 语言互操作性

• 基于Oracle Java SE构建

• 受信任的Oracle支持和更新

（注：有几个优点都是因为亲爹是Oracle……）

新的编译器

    GraalVM 的Just in time (JIT) 编译器可加速任何基于 Java 或 JVM 的应用程序的性能 - 这意味着开箱即用，无需任何代码更改。

    总体而言，相比于老版本的编译器，在 GraalVM Enterprise 上运行的应用程序表现出较低的延迟，更少的请求响应时间和更快的应用程序运行速度，并能更快地释放 CPU 和内存，允许它们处理其他请求或在同一服务器上运行的其他应用程序。

本地镜像技术

        GraalVM 将新的编译器技术整合到先进的ahead-of-time（AOT）编译技术：Native Image（本地镜像，先这么翻译吧）。业界领先（注：原文如此……）的本地镜像生成器将基于 Java 和 JVM 的应用程序转换为本机平台可执行文件，这些可执行文件享有令人难以置信的快速启动时间，因为程序初始化是在构建时完成的。所以执行实际业务任务时，应用程序已经编译完成，省去了编译耗时。

        基于本地镜像技术，Java应用程序消耗的资源只相当于在JVM上运行时的一小部分，因此GraalVM Enterprise非常适合不同类型的云部署。

语言互操作性

        GraalVM Enterprise打破了编程语言之间的障碍。

        Java是目前构建企业应用程序最流行的语言（注：本当に？go表示在追赶了），但JavaScript、Python、Ruby、R和其他编程语言在特定领域，比如机器学习，也占有一席之地。一些语言提供了独特的、包含不同特征的lib库，开发人员经常使用不同的语言来实现特定的应用程序。

        GraalVM 为Java之外的许多语言提供高性能运行时支持，允许不同语言和该语言的lib库进行互操作，并且不会造成性能损失。由于允许开发人员指定多种不同的开发语言，这显著地提高了开发效率，下图是GraalVM支持的语言。

        GraalVM的多语言支持的关键是其遵从了各语言的规范。对于每种受支持的语言，GraalVM Enterprise都严格遵守每种语言的规范。Gravvl虚拟机会运行各个语言的编译测试代码，以确保对各个语言的兼容性。

        与此同时，Oracle公司参与了Ecma International等多个标准机构来跟踪各个语言的变化，确保了GravvlVM实时适配最新规范。与此同时。GraalVM的创新反过来也在不同语言的影响规范，比如OpenJDK最近宣布的Leyden项目，该项目旨在为基于本地镜像技术（就是之前提及的技术）的Java二进制可执行文件提供标准规范。

受信任的Oracle支持和更新

        GraalVM企业客户可以利用全天候访问经验丰富的GraalVM企业支持团队的机会，该团队与Oracle Java支持团队密切合作。

        GraalVM企业版包括所有Oracle Java关键补丁更新（CPU），这些更新会定期发布，以修复缺陷和已知漏洞。

    

 02 中文解释

关于上述官方的一些特性，整理了一些官方文档。

参考链接：

知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/137836206

关于支持不同语言：  

    Graal VM的基本工作原理是将这些语言的源代码（例如JavaScript）或源代码编译后的中间格式（例如LLVM字节码）通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示（Intermediate Representation，IR），譬如设计一个解释器专门对LLVM输出的字节码进行转换来支持C和C++语言，这个过程称为“程序特化”（Specialized，也常称为Partial Evaluation）。Graal VM提供了Truffle工具集来快速构建面向一种新语言的解释器，并用它构建了一个称为Sulong的高性能LLVM字节码解释器。

    以更严格的角度来看，Graal VM才是真正意义上与物理计算机相对应的高级语言虚拟机，理由是它与物理硬件的指令集一样，做到了只与机器特性相关而不与某种高级语言特性相关。Oracle Labs的研究总监Thomas Wuerthinger在接受InfoQ采访时谈到：“随着Graal VM 1.0的发布，我们已经证明了拥有高性能的多语言虚拟机是可能的，并且实现这个目标的最佳方式不是通过类似Java虚拟机和微软CLR那样带有语言特性的字节码”。对于一些本来就不以速度见长的语言运行环境，由于Graal VM本身能够对输入的中间表示进行自动优化，在运行时还能进行即时编译优化，往往使用Graal VM实现能够获得比原生编译器更优秀的执行效率，譬如Graal.js要优于Node.js、Graal.Python要优于CPtyhon，TruffleRuby要优于Ruby MRI，FastR要优于R语言等等。

关于即时编译：

        提前编译是相对于即时编译的概念，提前编译能带来的最大好处是Java虚拟机加载这些已经预编译成二进制库之后就能够直接调用，而无须再等待即时编译器在运行时将其编译成二进制机器码。理论上，提前编译可以减少即时编译带来的预热时间，减少Java应用长期给人带来的“第一次运行慢”不良体验，可以放心地进行很多全程序的分析行为，可以使用时间压力更大的优化措施。

        但是提前编译的坏处也很明显，它破坏了Java“一次编写，到处运行”的承诺，必须为每个不同的硬件、操作系统去编译对应的发行包。也显著降低了Java链接过程的动态性，必须要求加载的代码在编译期就是全部已知的，而不能再是运行期才确定，否则就只能舍弃掉已经提前编译好的版本，退回到原来的即时编译执行状态。

        直到Substrate VM出现，才算是满足了人们心中对Java提前编译的全部期待。Substrate VM是在Graal VM 0.20版本里新出现的一个极小型的运行时环境，包括了独立的异常处理、同步调度、线程管理、内存管理（垃圾收集）和JNI访问等组件，目标是代替HotSpot用来支持提前编译后的程序执行。它还包含了一个本地镜像的构造器（Native Image Generator）用于为用户程序建立基于Substrate VM的本地运行时镜像。这个构造器采用指针分析（Points-To Analysis）技术，从用户提供的程序入口出发，搜索所有可达的代码。在搜索的同时，它还将执行初始化代码，并在最终生成可执行文件时，将已初始化的堆保存至一个堆快照之中。这样一来，Substrate VM就可以直接从目标程序开始运行，而无须重复进行Java虚拟机的初始化过程。但相应地，原理上也决定了Substrate VM必须要求目标程序是完全封闭的，即不能动态加载其他编译期不可知的代码和类库。基于这个假设，Substrate VM才能探索整个编译空间，并通过静态分析推算出所有虚方法调用的目标方法。

        Substrate VM补全了Graal VM“Run Programs Faster Anywhere”愿景蓝图里最后的一块拼图，让Graal VM支持其他语言时不会有重量级的运行负担。譬如运行JavaScript代码，Node.js的V8引擎执行效率非常高，但即使是最简单的HelloWorld，它也要使用约20MB的内存，而运行在Substrate VM上的Graal.js，跑一个HelloWorld则只需要4.2MB内存而已，且运行速度与V8持平。Substrate VM 的轻量特性，使得它十分适合于嵌入至其他系统之中，譬如Oracle自家的数据库就已经开始使用这种方式支持用不同的语言代替PL/SQL来编写存储过程（注：知乎这篇文章写得很清晰，指出了Graavl是“轻量级”虚拟机的原因）。

GraavlVM的缺点

        因为采用了即时编译技术，GravvlVM对Java的反射、动态加载（比如加载cglib，修改字节码等）等技术的支持就变得尴尬，这里我就不赘述了，有兴趣的大家看看原文。

（又注：尿了，知乎这个作者就是写《深入理解Java虚拟机的大佬》，膜拜。）

03 参考链接

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/137836206
2. https://www.graalvm.org/
3. http://javakk.com/2101.html
4. https://www.sohu.com/a/375404869_355142
5. http://ifeve.com/%E4%B8%8B%E4%B8%80%E4%BB%A3%E7%9A%84%E5%A4%9A%E8%AF%AD%E8%A8%80jvm%EF%BC%9Agraalvm/